摘要:根据雷达物位计原理样机的设计规格需求,设计了一个以TOPSwitchHX系列单片开关电源为控制芯片的单端反激式电源,介绍了该单片开关电源的特点、优势和隔离式稳压开关电源的完整设计方案,并给出了变压器的设计和电路板的布局。

现代科技发展中,电源在整个电子设备的运作中起着举足轻重的作用。电源的可靠性反映了电源质量的好坏,因此,人们对电源的要求也逐渐提高。开关电源作为一种重要的应用技术,其与线性稳压电源在原理上有本质的区别,开关电源是通过控制取样电压和改变开关管导通或截止时间来实现稳定的电压输出的,和线性电源相比,开关电源具有体积小、重量更轻、转换效率高、更省电、自身抗干扰性强及电压范围宽等优点。

针对雷达物位计原理样机电源输出的功率不高、体积小、效率高、宽输入范围及高稳定性等设计要求,选择美国功率集成公司(Pl公司)推出的TOPSwitch-HX系列开关电源,TOPSwitchHX以经济、高效的方式将一个700V的功率MOSFET、高压开关电流源、PWM控制器、振荡器、热关断保护电路和故障保护电路及其他控制电路集成在一个单片器件内,减少了一些辅助的设计,从而有效降低了电源的体积。笔者设计的单端反激式开关电源采用了TOPSwitchHX系列芯片中的TOP258PN,其电源整体输出电压士15V,输出功率60W,开关频率66kHz,当输出电源工作在220V交流时输出的效率在80%以上。

1TOPSwitch-HX系列开关电源的性能特点”

TOPSwitch-HX采用增强的EcoSmart技术的集成离线式开关,具有先进的特性和扩展的功率范围。采用TOPSwitch器件的开关电源与采用分立的MOSFET功率开关和PWM集成控制器的开关电源相比,具有以下特点:

a.成本低廉。使用TOPSwitch器件,比用其他开关电源节省很多个元器件,从而使产品的体积和重量减少;TOPSwitch因采用了源极调节板和可控的MOSFET通态驱动,故电磁干扰(EMI)和EMI滤波器的成本明显降低。

b.系统效率高。TOPSwitch系采用CMOS工艺制作,并在芯片中集成了尽可能多的功能,故与采用二极管或分立的功率开关电路相比,偏置电流显著降低;开关电源所需的功能集成于芯片中后,外部的电流传感电阻和初始启动偏压电流的电路均可除去,提高了系统效率。

本设计采用TOPSwitchHX系列的PN(DIP-8)封装,引脚如图1所示,共有7个引出脚,其中M脚为多功能引脚,实现过压(OV)及欠压(UV)等多项功能;C脚为控制引脚,是误差放大器、反馈电流的输入脚,用于占空比的控制;D脚为漏极引脚,是高压功率MOSFET漏极引脚;右侧4个S

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脚为源极引脚,是功率MOSFET的源极连接点,用于高压功率的回路,也是初级控制电路的公共点和参考点。

2硬件设计

2.1EMI滤波和浪涌保护电路EMI滤波和浪涌保护的电路设计如图2所示,在电路中F1是过流熔断丝,当电流过大时,由于熔断丝的电阻大,产生的热量很大,因此会导致熔断丝熔断,起到过流保护的作用;RV1是压敏电阻,起防护作用,应对电力供应系统的瞬时电压突变对电路的伤害,当高压到来时,压敏电阻的电阻降低将电流予以分流,防止受到过大的瞬时电压的破坏或干扰,保护了敏感的电子组件;RT1是热敏电阻,起到热保护的作用;C1是X电容,是安规电源的一种,一方面对电源和对差模干扰起滤波作用,另一方面它也用于安全防范,电源要通过3C认证,就强制必须要有的电容,并且可以有效地保护后续电路;L1为共模扼流圈,它一方面滤除信号线上的共模电磁干扰,另一方面又要抑制本身不向外发出电磁干扰,避免影响同一电磁环境下其他电子设备的正常工作。

2.2整流滤波电路

整流滤波的电路设计如图3所示,该设计采

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用的是桥式整流。由 4 个 1N4006 二极管构成,它的峰值反向电压可达 800V,最大平均整流电流0. 8 ~ 1. 0A,满足需求。其中输入的直流电压的最小值和最大值分别为

Vmin = ∑2 VAcmin- 20 =102. 0V、Vmax 槡= 2 VACmax= 374. 8V其中数值 20 为纹波电压。

2.3PI外围电路及籍位保护电路在如图4所示的主控制电路中,电阻R3、R4

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相互串联,一边主要接在TOP258PN的M引脚上,另一边接电压检测端L,从而实现了欠压、过压和线电压前馈的线电压检测作用。欠压和过压分别设置为91~111V和430~470V之间。当超过了设置好的过压时,TOP258PN内部MOSFET关断,由于没有反射电压和漏电感尖峰电压叠加到漏极,经整流的直流高压抗浪涌冲击的能力增大到MOSFET的额定电压(700V),可以防止电涌等事件发生。而二极管D5和电阻R1、R2、电容C3与D引脚连接,它们组成了钳位电路,用以吸收高频变压器初级绕组产生的尖峰电压和反射电压,保护TOP258PN中的MOSFET不受损坏,D5选择反向耐压为800V的快速二极管FR106。当MOSFET导通时,D5截止,钳位电路不起作用。在MOSFET截止瞬间,D5导通,尖峰电压被电阻R1、R2、电容C3吸收。如果反馈电路失效,电源

输出端的电压可能会超过稳压限制范围。输出端增加的电压同时也会导致偏置绕组输出端电压的增加。齐纳二极管VR1将击穿,电流将流入TOPSwitch的引脚M,TOPSwitch启动迟滞过压保护,尝试自动重启动。C5为控制端的旁路电容,它不仅能滤除控制端上的尖峰电压,还决定自动重启频率,并与R5一起对控制环路进行补偿。

2.4电压反馈回路

电压反馈电路直接关系到开关电源的稳压性能。本设计采用的LTV817A型线性光耦合器和TL431型可调式精密并联稳压器组成高精度电压反馈电路。次级绕组4、5端上产出的电压经VD6、C10整流滤波后给光耦中接收三极管的集电极供电。采用光耦合器能将输出电压与电网隔离,其发射极电流送至TOP258PN的控制端,来调整占空比。本电路选择+15V为主输出作为反馈电压进行设计,其中稳压值是由TL431的基准电压(VaEF)、R13、R14的分压比来确定的。R10为LED的限流电阻,C17为相位补偿电容。对于电压反馈,其中最主要的参数设计是R12、R13、

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(V可根据LTV817A手册确定为1.2V)。之后在Va=81.6V(DC),满载条件下对控制环路进行仿真,得到伯德图(图5)。

2.5高频变压器设计

2.5.1选磁芯根据功率容量A,法计算:

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式中A.——磁芯有效截面积,cm2;A。——磁芯可绕导线的窗口面积,cm2;f.—一变压器的工作频率;K——磁芯的填充系数,取1旦;Km——窗口填充系数,一般选取0.2~

0.4;P,——标称输出功率,W;n——变压器的效率;

——线圈导线的电流密度,一般选取为2~3A/mm2。

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图 5 反馈控制回路的振幅相位图

根据计算选择El28磁芯,它的磁芯截面积A.=0.83cm2,材料为PC40。2.5.2一次电感量

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其中,Dm.n取值不能超过0.5,大的占空比可以降低初级电流的有效值和MOS的导通损耗,但是根据伏秒法则,初级占空比大了,次级的肯定会小,那么次级的峰值电流会变大,电流有效值变大,会导致输出纹波变大。所以,一般单端反激拓扑的占空比选取不要超过0.5。

脉动电流(一次电流的变化量)和一次电感量L。的计算如下:

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若Kkp取值为1,则L,为289uH,即一次电感在289~1150uH之间选取,本设计选择460uH。

2.5.3初、次级绕组匝数

计算一次匝数N。:

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当AB取0.15T时,计算N。为55匝,因此本设计选择AWG24导线绕48匝。

计算二次绕组匝数N.:

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考虑到漆包线的铜损,±15V二次绕组匝数N.和反馈绕组N.分别选取为AWG27导线绕7匝和AWG25导线绕8匝。

2.5.4气隙长度

气隙长度的计算公式为:

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2.6TOPSwitchHX的电路板布局考虑PCB电源板布线如图6所示,其中斜线阴影部分是最大化铺铜去,主要是为了散热。其布局建议为:将控制引脚去耦电容直接跨接在控制引脚和源极引脚间;电阻R1和R2应置于尽可能接近M引脚的位置;之后到M引脚的PCB走线远离漏极位及偏置走线等噪声节点;偏置绕组和偏置电容应通过专用走线直接返回至输入电容。

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3实验结果及分析

在实验中,分别记录了当输入同在220V时负载不同的主输出情况下的数据,和在不同交流输入电压下负载相同的主输出情况下的数据,见表1、2。

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通过实验数据可以很明显地看出,随着负载的加大,输出电压的变化是很微小的,只有毫米级。当输入电压有所增大时,主输出电压的变化呈现小幅度的上升,但基本上很稳定,维持在15V

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4结束语

分离计量方案有操作与维护安全方便、投资较低、有权威部门认证及精确度较高等特点,是经典、成熟、公认的单井测试计量方案;多相不分离计量方案的投资较高、维护费用高、无权威部门认证、准确度存在疑虑,操作人员存在危险畏惧心理,尚处在研制开发到规模化商品应用的初步阶段,产品耐用性、安全性、可操作性、使用效果和宣传效果的一致程度尚待长期检验。


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